TUNGSTEN: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The tungsten , tungsten atau tungsten logam berat adalah satu peralihan yang simbol kimia W. Terletak dalam tempoh 6 kumpulan 6 dalam jadual berkala, dan nombor atom 74. Namanya mempunyai dua makna etimologi: batu yang keras dan busa serigala; Yang kedua adalah kerana logam ini juga dikenali sebagai tungsten.

Ia adalah logam kelabu perak dan, walaupun rapuh, ia mempunyai kekerasan, ketumpatan, dan lebur dan takat didih yang tinggi. Oleh itu, telah digunakan dalam semua aplikasi yang melibatkan suhu tinggi, tekanan atau kekuatan mekanik, seperti latihan, proyektil, atau filamen pemancar radiasi.

Tungsten bar dengan permukaannya yang teroksidasi separa. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Penggunaan yang paling terkenal untuk logam ini, pada tahap budaya dan popular, adalah pada filamen mentol elektrik. Sesiapa yang mengendalikan mereka akan menyedari betapa rapuhnya mereka; namun, mereka tidak terbuat dari tungsten tulen, yang mudah lentur dan mulur. Selain itu, dalam matriks logam seperti aloi, ia memberikan ketahanan dan kekerasan yang sangat baik.

Ia dicirikan dan dibezakan dengan menjadi logam dengan takat lebur tertinggi, dan juga lebih padat daripada plumbum itu sendiri, hanya melebihi logam lain seperti osmium dan iridium. Begitu juga, ia adalah logam terberat yang diketahui memenuhi beberapa peranan biologi dalam badan.

Tungstate anion, WO ₄ ^2- , mengambil bahagian dalam sebilangan besar sebatian ionnya , yang dapat berpolimerisasi untuk membentuk gugus dalam medium asid. Sebaliknya, tungsten dapat membentuk sebatian intermetalik, atau disinter dengan logam atau garam anorganik sehingga padatannya memperoleh bentuk atau konsistensi yang berbeza.

Ia tidak banyak terdapat di kerak bumi, dengan hanya 1.5 gram logam ini per tan. Selanjutnya, kerana ia adalah unsur berat, asalnya adalah intergalaksi; khususnya dari letupan supernova, yang pasti melemparkan "jet" atom tungsten ke planet kita semasa pembentukannya.

Sejarah

Etimologi

Sejarah tungsten atau wolfram mempunyai dua wajah seperti namanya: satu orang Switzerland, dan yang lain dari Jerman. Pada tahun 1600-an, di wilayah-wilayah yang saat ini diduduki oleh Jerman dan Austria, para pelombong bekerja untuk mengeluarkan tembaga dan timah untuk menghasilkan gangsa.

Pada masa itu para pelombong mengalami duri dalam proses: terdapat mineral yang sangat sukar untuk dicairkan; mineral yang terdiri daripada wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , yang menahan atau "melahap" timah seolah-olah itu adalah serigala.

Oleh itu etimologi untuk elemen ini, 'serigala' untuk serigala dalam bahasa Sepanyol, serigala yang memakan timah; dan 'ram' busa atau krim, yang kristalnya menyerupai bulu hitam panjang. Oleh itu, nama 'wolfram' atau 'wolfram' muncul untuk menghormati pemerhatian pertama ini.

Pada tahun 1758, di sisi Swiss, mineral serupa, scheelite, CaWO ₄ , diberi nama 'tung sten', yang bermaksud 'batu keras'.

Kedua-dua nama, wolfram dan tungsten, banyak digunakan secara bergantian, bergantung hanya pada budaya. Di Sepanyol, misalnya, dan di Eropah barat, logam ini lebih dikenali sebagai tungsten; sementara di benua Amerika nama tungsten mendominasi.

Pengiktirafan dan penemuan

Telah diketahui bahawa antara abad ketujuh belas dan kelapan belas terdapat dua mineral: wolframite dan scheelite. Tetapi, siapa yang melihat bahawa ada logam di dalamnya berbeza dengan yang lain? Mereka hanya dapat dicirikan sebagai mineral, dan pada tahun 1779, ahli kimia Ireland, Peter Woulfe, dengan teliti menganalisis tungsten dan menyimpulkan keberadaan tungsten.

Di pihak Switzerland, sekali lagi, Carl Wilhelm Scheele pada tahun 1781 dapat mengasingkan tungsten sebagai WO ₃ ; dan lebih-lebih lagi, dia memperoleh asid tungstik (atau tungstik), H ₂ WO ₄ dan sebatian lain.

Walau bagaimanapun, ini tidak mencukupi untuk mencapai logam tulen, kerana perlu mengurangkan asid ini; iaitu, menjalani proses sedemikian sehingga melepaskan dari oksigen dan mengkristal sebagai logam. Carl Wilhelm Scheele tidak mempunyai tungku atau metodologi yang sesuai untuk reaksi pengurangan bahan kimia ini.

Di sinilah saudara Sepanyol d'Elhuyar, Fausto dan Juan José, bertindak, yang mengurangkan kedua-dua mineral (wolframite dan scheelite) dengan arang batu, di kota Bergara. Mereka berdua dianugerahkan jasa dan kehormatan sebagai penemu logam tungsten (W).

Keluli dan mentol

Mana-mana mentol dengan filamen tungsten. Sumber: Pxhere.

Seperti logam lain, penggunaannya menentukan sejarahnya. Di antara yang paling menonjol pada akhir abad ke-19 adalah aloi besi-tungsten, dan filamen tungsten untuk menggantikan karbon di dalam mentol elektrik. Boleh dikatakan bahawa lampu pertama, seperti yang kita ketahui, dipasarkan pada tahun 1903-1904.

Hartanah

Penampilan fizikal

Ia adalah logam kelabu-perak berkilau. Rapuh tetapi sangat keras (tidak boleh dikelirukan dengan ketangguhan) Sekiranya kepingan itu berkurnian tinggi, ia akan mudah dilentur dan keras, sebilangan atau lebih banyak keluli.

Nombor atom

74.

Jisim molar

183.85 g / mol.

Takat lebur

3422 ° C.

Takat didih

5930 ° C.

Ketumpatan

19.3 g / mL.

Panas pelakuran

52.31 kJ / mol.

Haba pengewapan

774 kJ / mol.

Kapasiti haba molar

24.27 kJ / mol.

Kekerasan Moh

7.5.

Elektronegativiti

2.36 pada skala Pauling.

Radio atom

139 malam

Ketahanan elektrik

52.8 nΩ · m pada 20 ° C.

Isotop

Ia berlaku terutamanya di alam sebagai lima isotop: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W dan ¹⁸⁰ W. Menurut jisim molar 183 g / mol, yang rata-rata jisim atom isotop ini (dan yang lain tiga puluh radioisotop), setiap atom tungsten atau tungsten mempunyai kira-kira seratus sepuluh neutron (74 + 110 = 184).

Kimia

Ia adalah logam yang sangat tahan terhadap kakisan, kerana lapisan nipis WO ₃ melindunginya daripada serangan oksigen, asid dan alkali. Setelah dilarutkan dan diendapkan dengan reagen lain, garamnya diperoleh, yang disebut tungstate atau wolframates; di dalamnya, tungsten biasanya mempunyai keadaan pengoksidaan +6 (dengan anggapan terdapat kation W ⁶⁺ ).

Pengumpulan asid

Decatungstate, contoh polyoxometalates tungsten. Sumber: Scifanz

Bahan kimia tungsten cukup unik kerana ionnya cenderung berkerumun untuk membentuk asid heteropoli atau polyoxometalates. Apakah mereka? Mereka adalah kumpulan atau kumpulan atom yang bersatu untuk menentukan badan tiga dimensi; Terutama, satu dengan struktur sangkar seperti sfera, di mana mereka "merangkul" atom lain.

Semuanya bermula dari anion tungstate, WO ₄ ^2- , yang dalam medium asid cepat protonat (HWO ₄ ^- ) dan mengikat dengan anion jiran untuk membentuk ^2- ; dan ini seterusnya bergabung dengan ^{2- yang} lain untuk menghasilkan ^4- . Selanjutnya sehingga ada beberapa penyelesaian politik.

Paratungstat A dan B, ^6- dan H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , masing-masing, adalah salah satu polianion yang paling menonjol.

Sangat sukar untuk membuat sketsa dan struktur Lewis anda; tetapi pada prinsipnya cukup untuk memvisualisasikannya sebagai set oktahedra WO ₆ (gambar atas).

Perhatikan bahawa oktahedra abu-abu ini akhirnya menentukan decatungstate, politungstat; Sekiranya heteroatom (misalnya, fosforus) terkandung di dalamnya, maka ia akan menjadi polyoxometalate.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Fasa kristal

Atom tungsten menentukan kristal dengan struktur kubik (bcc) yang berpusat pada badan. Bentuk kristal ini dikenali sebagai fasa α; sementara fasa β juga padu, tetapi sedikit lebih padat. Kedua-dua fasa atau bentuk kristal, α dan β, dapat wujud bersama dalam keseimbangan dalam keadaan normal.

Butiran kristal fasa α adalah isometrik, sedangkan butiran fasa β menyerupai lajur. Terlepas dari bagaimana kristal itu, ia diatur oleh ikatan logam yang menahan atom W dengan erat. Jika tidak, titik lebur dan didih yang tinggi, atau kekerasan dan ketumpatan tinggi tungsten, tidak dapat dijelaskan.

Ikatan logam

Atom tungsten mesti terikat rapat entah bagaimana. Untuk membuat sangkaan, konfigurasi elektron logam ini mesti diperhatikan terlebih dahulu:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Orbit 5d sangat besar dan kabur, yang menunjukkan bahawa di antara dua atom W berdekatan terdapat pertindihan orbit yang berkesan. Juga, orbit 6s menyumbang kepada band yang dihasilkan, tetapi pada tahap yang lebih rendah. Walaupun orbital 4f "jauh di latar belakang" dan oleh itu sumbangan mereka terhadap ikatan logam kurang.

Ini, ukuran atom, dan butiran kristal, adalah pemboleh ubah yang menentukan kekerasan tungsten dan ketumpatannya.

Keadaan pengoksidaan

Dalam tungsten logam atau wolfram, atom W mempunyai keadaan pengoksidaan sifar (W ⁰ ). Kembali ke konfigurasi elektronik, orbital 5d dan 6s dapat "dikosongkan" dari elektron bergantung pada apakah W berada dalam kumpulan atom yang sangat elektronegatif, seperti oksigen atau fluorin.

Apabila kedua-dua elektron 6s hilang, tungsten mempunyai keadaan pengoksidaan +2 (W ²⁺ ), yang menyebabkan atomnya berkontrak.

Sekiranya ia juga kehilangan semua elektron pada orbitnya 5d, keadaan pengoksidaannya akan menjadi +6 (W ⁶⁺ ); Dari sini ia tidak boleh menjadi lebih positif (secara teori), kerana orbital 4f, kerana ia adalah dalaman, memerlukan tenaga yang besar untuk mengeluarkan elektronnya. Dengan kata lain, keadaan pengoksidaan yang paling positif adalah +6, di mana tungsten bahkan lebih kecil.

Tungsten (VI) ini sangat stabil dalam keadaan berasid atau dalam sebatian oksigen atau halogenasi. Keadaan pengoksidaan positif dan lain-lain ialah: +1, +2, +3, +4, +5 dan +6.

Tungsten juga dapat memperoleh elektron jika bergabung dengan atom yang kurang elektronegatif daripada dirinya. Dalam kes ini, atomnya bertambah besar. Ia boleh memperoleh maksimum empat elektron; iaitu, mempunyai keadaan pengoksidaan -4 (W ^4- ).

Mendapatkan

Telah disebutkan sebelumnya bahawa tungsten ditemukan dalam mineral wolframite dan scheelite. Bergantung pada prosesnya, dua sebatian diperoleh darinya: tungsten oksida, WO ₃ , atau amonium paratungstate, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (atau ATP). Salah satu daripadanya boleh dikurangkan menjadi logam W dengan karbon di atas 1050 ° C.

Adalah tidak menguntungkan secara ekonomi untuk menghasilkan jongkong tungsten, kerana mereka memerlukan banyak haba (dan wang) untuk mencairkannya. Itulah sebabnya lebih disukai untuk menghasilkannya dalam bentuk serbuk untuk merawatnya sekaligus dengan logam lain untuk mendapatkan aloi.

Perlu disebutkan bahawa China adalah negara dengan pengeluaran tungsten terbesar di dunia. Dan di benua Amerika, Kanada, Bolivia dan Brazil juga menempati senarai pengeluar terbesar logam ini.

Permohonan

Cincin yang diperbuat daripada tungsten karbida - contoh bagaimana kekerasan logam ini dapat digunakan untuk mengabadikan dan mengeras bahan. Sumber: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Berikut adalah beberapa kegunaan yang diketahui untuk logam ini:

- Garamnya digunakan untuk mewarnai kain katun dari pakaian teater lama.

-Berbanding dengan keluli ia mengeras lebih kuat, malah mampu menahan pemotongan mekanikal pada kelajuan tinggi.

-Filamen tungsten yang disinter telah digunakan selama lebih dari seratus tahun dalam mentol elektrik dan lampu halogen. Juga, kerana titik leburnya yang tinggi, ia berfungsi sebagai bahan untuk tiub sinar katod, dan untuk muncung mesin roket.

-Penggantian memimpin dalam pembuatan proyektil dan perisai radioaktif.

-Tungsten nanowires boleh digunakan dalam nanodevices sensitif terhadap pH dan gas.

-Katalis tungsten digunakan untuk menangani pengeluaran sulfur dalam industri minyak.

-Tungsten karbida adalah yang paling banyak digunakan dari semua sebatiannya. Dari pengukuhan alat pemotong dan penggerudian, atau pembuatan kepingan persenjataan ketenteraan, hingga pemesinan kayu, plastik dan seramik.

Risiko dan langkah berjaga-jaga

Biologi

Sebagai logam yang agak jarang berlaku di kerak bumi, kesan negatifnya jarang. Di tanah berasid, poliungstat mungkin tidak mempengaruhi enzim yang menggunakan molibate anion; tetapi di tanah asas, WO ₄ ^2- melakukan campur tangan (positif atau negatif) dalam proses metabolik MoO ₄ ^2- dan tembaga.

Tumbuhan, misalnya, dapat menyerap sebatian tungsten yang larut, dan ketika seekor binatang memakannya dan kemudian setelah memakan dagingnya, atom W memasuki tubuh kita. Sebilangan besar dikeluarkan dalam air kencing dan tinja, dan hanya sedikit yang diketahui apa yang berlaku pada selebihnya.

Kajian haiwan menunjukkan bahawa ketika mereka menyedut kepekatan tungsten serbuk yang tinggi, mereka mengalami gejala yang serupa dengan barah paru-paru.

Dengan pengambilan, manusia dewasa perlu minum beribu-ribu gelen air yang diperkaya dengan garam tungsten untuk menunjukkan penghambatan enzim kolinesterase dan fosfatase yang ketara.

Fizikal

Secara umum, tungsten adalah unsur toksik rendah, dan oleh itu terdapat sedikit risiko kerosakan kesihatan terhadap alam sekitar.

Mengenai tungsten logam, elakkan menghirup habuknya; dan jika sampelnya padat, harus diingat bahawa ia sangat padat dan boleh menyebabkan kerosakan fizikal jika jatuh atau terkena permukaan lain.

Rujukan

1. Bell Terence. (sf). Tungsten (Wolfram): Sifat, Pengeluaran, Aplikasi & Aloi. Bakinya. Dipulihkan dari: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Tungsten. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Tungsten. Dipulihkan dari: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1 Mei 2017). Sejarah Tungsten, Logam Asli Terkuat di Bumi. Dipulihkan dari: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakta Unsur Tungsten. Dipulihkan dari: chemicool.com
6. Art Fisher dan Pam Powell. (sf). Tungsten. Universiti Nevada. Dipulihkan dari: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (02 Mac 2019). Fakta Tungsten atau Wolfram. Dipulihkan dari: thinkco.com